Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực

Sưu tầm các tài liệu, các giáo trình, bài giảng về ngành công trỉnh thủy lợi, thủy điện, xây dựng, giao thông. Các bài giảng này theo tiêu chuẩn hiện hành mới nhất. Các công nghệ về xây dựng giao thông, thủy lợi, thủy điện, xây dựng dân dụng, công nghiệp

BÊ TÔNG KHỐI LỚN DÙNG

CHO ĐẬP TRỌNG LỰC

(BÀI GIẢNG CAO HỌC)

Mục lục

Mục lục II

BÊ TÔNG KHỐI LỚN DÙNG CHO ĐẬP TRỌNG LỰC 1

1 Định nghĩa 1

2 Đặc tính của bê tông khối lớn 1

3 Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn 1

3.1 Xi măng 1

3.2 Cốt liệu 2

3.3 Nước trộn bê tông 2

3.4 Phụ gia (được trình bầy trong mục sau) 2

4 Những tính chất của bê tông khối lớn 2

4.1 Cường độ 3

4.2 Độ thấm nước 3

4.3 Độ bền 3

4.4 Tính biến dạng 3

4.5 Các tính chất nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn 4

II

BÊ TÔNG KHỐI LỚN DÙNG CHO ĐẬP TRỌNG LỰC

1 Định nghĩa

Theo tiêu chuẩn Mỹ (ACI 116R - 90), bê tông khối lớn được định nghĩa là một thể tích

bê tông có kích thước đủ lớn, yêu cầu phải có biện pháp để đối phó với sự phát nhiệt do xi măng thuỷ hoá và theo đó là sự biến đổi thể tích gây ra nứt nẻ

Khi xây dựng đập thường sử dụng 2 loại bê tông:

- Bê tông thông thường (Conventional Vibrated Concrete - CVC);

- Bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete - RCC)

CVC đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam từ trước đến nay để xây dựng các đập bê tông như đập Thác Bà, Hòa Bình, Trị An, Thạch Nham, Hàm Thuận, Đa Mi, và mới đây là đập Tân Giang, Lòng Sông Gần đây RCC được sử dụng xây dựng hàng loạt đập bê tông trọng lực

2 Đặc tính của bê tông khối lớn

Đặc tính của bê tông khối lớn là tính chất nhiệt Phản ứng của xi măng với nước là phản ứng phát nhiệt Trong bê tông khối lớn nhiệt không phân tán được nhanh, nên nhiệt độ trong bê tông có thể tăng lên rất nhiều, từ đó có thể phát sinh ứng suất kéo lớn do sự biến đổi thể tích kết hợp với sự tăng và giảm nhiệt độ trong khối bê tông Cần phải có các biện pháp giải quyết thích hợp để hạ thấp nhiệt độ trong bê tông khối lớn, giảm ứng suất nhiệt và tránh nguy cơ nứt nẻ công trình

Đối với công trình đập bê tông, để đồng thời đạt được chất lượng và giá thành thấp, thường phân ra 2 phần: Phần bên ngoài của đập chịu tác dụng trực tiếp của môi trường nước

và phần bên trong của đập không tiếp xúc với môi trường Đối với phần bên ngoài của đập, yêu cầu chọn cốt liệu bê tông tốt, bê tông đặc chắc cường độ cao, chống thấm tốt để đảm bảo độ bền Còn bê tông bên trong không chịu tác động của môi trường, nên yêu cầu chính đối với bê tông là phát nhiệt tối thiểu khi bê tông đông cứng, vì sự phân bố nhiệt không đều trong khối bê tông gây ra nứt do nhiệt Mác bê tông ở phần bên trong không yêu cầu cao, thường là 10 hoặc 15 MPa và độ chống thấm thấp B 2 hoặc B 4

3 Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn

3.1 Xi măng

Trong bê tông đập trọng lực nên dùng xi măng ít toả nhiệt

Để đảm bảo tính ổn định của bê tông khối lớn cần chú ý chọn dùng các vật liệu thích hợp

Xi măng ít toả nhiệt phải có lượng nhiệt phát ra khi xi măng thuỷ hoá (xác định theo phương pháp termot) sau 3 ngày không lớn hơn 45-50cal/g, sau 7 ngày không lớn hơn 50-60cal/g.

Ở nước ta đã ban hành tiêu chuẩn xi măng ít toả nhiệt qui định nhiệt thủy hoá sau 7 ngày không lớn hơn 60 cal/g, nhưng thực tế hầu như chưa sản xuất, nên trên thị trường xi măng ở nước ta không có mặt xi măng ít tỏa nhiệt, mà chỉ có loại xi măng poóclăng hỗn hợp (PCB) pha khoảng 15 – 20% phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia trơ

Xi măng PCB tuy có nhiệt thủy hoá thấp hơn xi măng poóclăng, nhưng chưa đạt được yêu cầu của xi măng ít tỏa nhiệt Tuy nhiên nếu tăng hàm lượng phụ gia khoáng đến mức độ yêu cầu, thì có thể đạt được mục đích đó

Trong bê tông khối lớn nói chung và bê tông đập nói riêng có thể pha puzơlan, xỉ hạt

lò cao, tro bay , nhằm mục đích giảm thiểu lượng dùng xi măng, do đó giảm nhiệt thuỷ hoá trong bê tông Các phụ gia đó được đưa trước vào xi măng hoặc đưa vào bê tông khi trộn.Trong bê tông khối lớn thường dùng phụ gia khoáng kèm thêm phụ gia hoá học như phụ gia hoá dẻo kéo dài thời gian đông kết, nhằm tăng độ lưu động, giảm co và kéo dài thời gian ninh kết khi vận chuyển bê tông đường dài hoặc khi trời nắng nóng về mùa hè và tăng

độ bền mong muốn của bê tông Việc kéo dài thời gian ninh kết cũng làm chậm sự phát nhiệt thủy hóa của xi măng

3.2 Cốt liệu

Cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn dùng cho bê tông khối lớn cũng giống như cốt liệu dùng cho bê tông nặng thông thường và được qui định trong các tiêu chuẩn nhà nước Yêu cầu đối với cốt liệu dùng cho bê tông khối lớn của Mỹ được qui định trong ACI 207.1R-87 Do kích thước kết cấu lớn, nên có thể dùng kích thước danh nghĩa lớn nhất của cốt liệu (Dmax) tới 150 mm để giảm hàm lượng chất kết dính trong bê tông, từ đó giảm phát nhiệt

3.3 Nước trộn bê tông

Nước trộn bê tông được qui định theo TCXDVN 302 : 2004

3.4 Phụ gia (được trình bầy trong mục sau)

4 Những tính chất của bê tông khối lớn

Các tính chất cần được xem xét là: Cường độ nén, cường độ kéo, môđun đàn hồi, hệ số Poisson, khả năng biến dạng kéo, từ biến, biến dạng khi khô, tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, hệ số

nở nhiệt, sự dẫn nhiệt tản nhiệt, độ thấm nước, độ bền Các tính chất này của bê tông khối lớn cũng giống như bê tông thông thường

2

4.1 Cường độ

Cường độ bê tông khối lớn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chủ yếu, trong đó có lượng và loại phụ gia khoáng hoạt tính (puzơlan) Cường độ bê tông pha puzơlan nói chung phát triển chậm trong thời kỳ đầu, nhưng sau 28 ngày phát triển tốt hơn

Bê tông khối lớn thường không yêu cầu cường độ cao và không yêu cầu chịu ứng suất lớn ban đầu Mác bê tông khối lớn thường được xác định ở tuổi dài ngày (90 ngày, 1 năm, 2 năm), tuỳ theo kết cấu và thời gian công trình được xây dựng

4.2 Độ thấm nước

Độ thấm nước của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có thành phần puzơlan trong bê tông Puzơlan cũng có tác dụng giảm độ thấm nước Hệ số thấm của bê tông khối lớn K = (0,62 ÷ 11,9).10-4 ft/s (1 ft = 30,48cm)

4.3 Độ bền

Trong bê tông khối lớn phản ứng giữa các thành phần trong bê tông được xem là nhân

tố quan trọng đối với độ bền bê tông Phản ứng hoá học giữa kiềm (Na2O và K2O) trong xi măng và SiO2 có tính phản ứng có trong cốt liệu tạo ra hợp chất mới, nở thể tích gây phản ứng kiềm - silíc; do đó không nên dùng cốt liệu chứa SiO2 có tính phản ứng Khi phải dùng một loại cốt liệu chứa các thành phần có tính phản ứng, thì phải dùng xi măng có hàm lượng kiềm (Na2O và K2O) thấp Puzơlan có thể có tác dụng hạn chế phản ứng kiềm silic, nhưng tro bay được coi là kém hiệu quả hơn trong việc khống chế phản ứng này so với puzơlan thiên nhiên

Vôi sinh ra khi xi măng tác dụng với nước Vôi sẽ hoà tan trong nước, nước mềm hay nước axít nhẹ Khi dùng puzơlan, thì puzơlan tác dụng với vôi, tạo ra hợp chất mới không tan trong nước, tạo ra phản ứng puzơlan, do đó ngăn cản sự tiết vôi ra khỏi bê tông Khi bê tông đặc chắc chống thấm tốt, thì việc tiết vôi ra sẽ ít Nếu tiết vôi nghiêm trọng, có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và độ bền của kết cấu công trình

4.4 Tính biến dạng

a) Độ co khô

Độ co khô nằm trong khoảng từ 0,02% của độ dài bê tông nghèo độ sụt thấp dùng cốt liệu tốt, đến lớn hơn 0,10% đối với bê tông giàu xi măng hoặc bê tông dùng cốt liệu xấu và N/X lớn Các nhân tố ảnh hưởng đến độ co khô là: hàm lượng xi măng, thành phần khoáng của nó và hàm lượng cốt liệu Việc pha phụ gia khoáng thường làm tăng độ co khô, ngoại trừ trường hợp giảm yêu cầu nước

b) Sự biến đổi thể tích tự thân là độ co do các phản ứng hoá học xảy ra trong hồ xi măng trong bê tông không liên quan với lượng nước trong bê tông Bê tông dùng puzơlan

đôi khi có độ co tự thân lớn hơn bê tông dùng xi măng pooclăng Sự biến đổi thể tích tự thân thuần tuý có thể nằm trong khoảng 0 - 150.10-6mm3/mm3.

c) Sự biến đổi thể tích do nhiệt thuỷ hoá:

Nhiệt độ bê tông tăng lên do nhiệt thuỷ hoá làm cho bê tông nở thể tích

Ngoài các biến dạng nêu trên, còn có từ biến và biến đổi thể tích khi độ ẩm của bê tông thay đổi

4.5 Các tính chất nhiệt và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn

a) Nhiệt thuỷ hoá của xi măng

Các thành phần khoáng trong xi măng khi thuỷ hoá sẽ phát nhiệt Theo Solacolu và Taylor, nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 : Nhiệt thủy hóa của các đơn khoáng trong xi măng.

Tên đơn khoáng Nhiệt thủy hóa trong thời gian, cal/g

3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng

Ximăng mác càng cao, toả nhiệt càng nhiều như trong hình 1.1

Hình 1 Toả nhiệt của ximăng theo thời gian

(KCal/kg

)KJ/kg

Các loại xi măng khác nhau cho nhiệt thuỷ hoá khác nhau như trong bảng 1.2.

Bảng 1.2 : Nhiệt thuỷ hoá của các loại xi măng theo thời gian.

Lượng phát nhiệt (cal/g)

3 ngày 7 ngày 28 ngày

Nhiệt thuỷ hoá được xác định bằng phương pháp termot hoặc đối với xi măng poóclăng thì có thể được tính theo công thức:

Qt = at C3S + bt C2S + ctC3A + dt C4AF ;trong đó: at, bt, ct, dt lần lượt là hệ số kinh nghiệm đặc trưng cho sự toả nhiệt của 1% các khoáng C3S, C2 S, C3A và C4AF và được cho trong bảng 1.3; C3S, C2S, C3A, C4AF là hàm lượng các khoáng chính trong ximăng được tính bằng % khối lượng xi măng

Bảng 1.3 : Hệ số của công thức tính nhiệt thuỷ hoá của ximăng pooclăng

Nhiệt lượng toả ra khi xi măng thuỷ hoá là kết quả tổng hợp của các quá trình tương tác của xi măng với nước Trong trường hợp chung, tổng hiệu ứng nhiệt bao gồm các thành phần như sau:

Q = Qhpx + Qfư + Qkt + Qhps + Qsol + Qht ;trong đó : Qhpx - Nhiệt hấp phụ của nước lên các hạt xi măng lúc đầu;

Qfư - Nhiệt phản ứng hoá học;

Qkt - Nhiệt kết tinh của sản phẩm mới;

Qhps - Nhiệt hấp phụ nước bởi cỏc sản phẩm mới;

Qsol - Nhiệt solvat hoỏ;

Qht - Nhiệt hoà tan

b) Nhiệt độ của bờ tụng

Nhiệt độ của bờ tụng được quyết định bởi nhiệt thủy hoỏ của xi măng, nờn cũng phỏt triển theo thời gian và phụ thuộc vào loại xi măng

Hầu hết nhiệt toả ra từ 6 - 7 ngày đầu sau khi đổ bờtụng Sự tăng nhiệt hầu như xảy ra

ở 2 ngày đầu, tớnh từ khi cho nước vào xi măng Nếu ở nhiệt độ cao thỡ tốc độ tăng nhiệt nhanh và nếu ở nhiệt độ thấp thỡ tốc độ tăng nhiệt chậm

Diễn biến nhiệt độ chia làm 3 thời kỳ: Tăng nhiệt, giảm nhiệt, ổn định nhiệt độ (hỡnh 2) Nhiệt độ cao nhất Tmax của bờ tụng bằng nhiệt độ trong bờ tụng khi đổ Tp cộng với nhiệt

độ phỏt nhiệt lớn nhất của xi măng Tr Từ nhiệt độ Tp đến Tmax là thời kỳ tăng nhiệt Sau khi đạt đến Tmax, thỡ nhiệt độ trong bờ tụng sẽ giảm dần tới (Tf) ; giai đoạn này là thời kỳ giảm nhiệt Cuối cựng nhiệt độ bờ tụng ổn định

ổn định nhiệt Tăng nhiệt

Hỡnh 2 Quỏ trỡnh thay đổi nhiệt trong bờ tụng khối lớn

Nhiệt độ chờnh lờnh lớn nhất ∆T là hiệu số của nhiệt độ cao nhất Tmax và nhiệt độ ổn định Tf :

trong đó : ∆t nhiệt độ thay đổi của bê tông từ lúc ra khỏi máy trộn đến lúc đổ (0C) Nếu nhiệt độ bê tông lúc trộn gần như nhiệt độ không khí, thì lấy ∆t = 0 Khi nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ trộn, ∆t là dương và ngược lại ∆t là âm

Tb: Nhiệt độ hỗn hợp bê tông khi trộn (0C) Nhiệt độ này là tổng hợp nhiệt độ của các vật liệu thành phần của bê tông và được tính theo công thức sau :

Tb = ∑ ;

∑

iGi

TiGiC

trong đó i biểu thị tên các loại vật liệu như nước, ximăng, cát, sỏi hoặc đá dăm;

Ci: Tỉ nhiệt của loại vật liệu i khi trộn bê tông {KJ/(kg 0C)} Tỉ nhiệt của nước và xi măng có thể lấy bằng 4,2 và 0,8; của cốt liệu là 0,8 - 0,96 kJ/kg.0C hoặc qua thực nghiệm để xác định;

Gi: Khối lượng vật liệu i trong 1m3 bê tông (kg/m3);

Ti: Nhiệt độ của vật liệu i trước lúc trộn (0C)

Nhiệt độ của nước được lấy bằng nhiệt độ nước bình quân trong tháng ở vùng đó, nhiệt

độ xi măng thì tuỳ thuộc vào kho bảo quản và công cụ vận chuyển vào trạm trộn, nhiệt độ cốt liệu thường gần với nhiệt độ không khí Khi dùng cốt liệu bị phơi nắng một số tuần trước đó, thì nhiệt độ cốt liệu cao hơn nhiệt độ bình quân trong tháng từ 3 - 50C

Theo một số tài liệu khác, nhiệt độ của bê tông (Tb) có thể được tính toán theo công thức sau đây:

TbC =

wW)cWa(W

W.wT)cW.cTaW.a

0,22(T

++

++

;

trong đó:

Ta, Tc, Tw là nhiệt độ của cốt liệu, ximăng và nước;

Wa, Wc, Ww là khối lượng của cốt liệu, ximăng và nước trong một đơn vị thể tích bê tông

Trị số 0,22 là tỉ số gần đúng giữa tỉ nhiệt của phần vật liệu khô và tỉ nhiệt của nước trong bê tông Chú ý là vào ban đêm, về mùa hè nhiệt độ của cốt liệu và nước không nguội nhanh bằng không khí, nên không thể coi nhiệt độ của chúng bằng nhiệt độ không khí Nhiệt độ thực tế của bê tông sẽ cao hơn trị số tính toán một chút do công cơ học sinh ra trong khi trộn và sau đó tăng cũng do nhiệt sinh ra do xi măng thuỷ hoá Theo công thức trên, để nhiệt độ hỗn hợp bê tông (có tỉ lệ N/X = 0,5, tỉ lệ CL/X = 5,6) giảm 10C, thì phải giảm nhiệt độ của xi măng 90C, hoặc giảm nhiệt độ của nước 3,60C, hoặc giảm nhiệt độ của cốt liệu 1,60C

Một số tài liệu khác nữa lại đưa ra công thức chi tiết hơn như sau:

wa w c a

wa a w w c c a a

W W W W

W T W T W T W T T

+++

++

+

=

)(

22.0

)(

22,0

Các ký hiệu trong công thức giống như trong công thức ở trên, còn Wwa là khối lượng nước hấp phụ bởi cốt liệu

Độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông có thể tính bằng công thức sau đây:

T =

S

H C.

;trong đó : T - Độ tăng nhiệt độ của bê tông, 0F,

C - Hàm lượng ximăng, Lb;

H - Nhiệt thuỷ hoá của ximăng, Btu/Lb;

S - Tỉ nhiệt của bêtông; Btu/ Lb 0F

bê tông đã cố kết gây nên ứng suất do hiện tượng co thể tích Bê tông chịu hai loại kiềm chế

có thể sinh nứt nẻ sau:

1) Nứt nẻ bề mặt

Do chênh lệch nhiệt độ giữa lớp bê tông bề mặt với bên trong khối bê tông gây nên ứng suất kéo ở ngoài và nén ở trong Nếu ứng suất kéo vượt khả năng cho phép của bê tông sẽ gây nứt bề mặt

8

Nứt bề mặt thường xuất hiện sau khi đổ bờ tụng 1-2 tuần.

Ứng suất nhiệt ở bề mặt khối bờ tụng bờ tụng xỏc định như sau:

ασ1

trong đú:

σ- ứng suất kộo lớn nhất (N/m2)

α- hệ số gión nở vỡ nhiệt của bờ tụng, thường là(0,8ữ1)10-5 (1/0C);

E- mụ đun đàn hồi của bờ tụng, thường là (1,4ữ2,4)1010 (N/m2);

L

B

12

Hình 3 Phân bố ung suất nhiệt của tuờng

1- vùng chịu nén; 2- vùng chịu kéo

123Hình 4 Phân bố ung suất nhiệt ở đáy khối bê tông.1- vùng chịu nén; 2- vùng chịu kéo; 3- vùng chịu cắt

LL

Nứt xuyên sinh ra ở thời kỳ công trình đang được vận hành, nên rất nguy hiểm Nó làm mất tính chỉnh thể của công trình Nếu không phát hiện và xử lý kịp thời, thì công trình có thể bị phá hoại.

Nứt xuyên nguy hiểm và khó phát hiện, nếu không phòng ngừa và phát hiện xử lý sớm

sẽ gây hư hỏng công trình Ứng suất nhiệt gây nứt xuyên tính như sau:

ασ1

trong đó:

K- hệ số từ biến của bê tông K=0,5 ;

R- hệ số kiềm chế của nền đối với bê tông, phụ thuộc kích thước khối bê tông

3 2

T

∆

T1- nhiệt độ bê tông khi đổ (0C);

T2- nhiệt độ tăng lên trong bê tông do thuỷ hoá của xm (0C);

T3- nhiệt độ ổn định của khối bê tông (0C);

Nhiệt độ trong lòng bê tông khối lớn có thể khá lớn như trong bảng 1.4

Bảng 1.4 : Gia tăng nhiệt độ trong lòng bê tông khối lớnTên công trình,

tên nước

Tỉ lệ xi măng trong hỗn hợp bê tông theo khối lượng

Biện pháp giảm ứng suất nhiệt trong bê tông:

1) Giảm lượng phát nhiệt của bê tông

a) Giảm lượng dùng xm:

− dùng chất pha trộn giảm một phần xm ví dụ như xỉ than lò cao;

− dùng bê tông khô;

− tăng đường kính cốt liệu;

− dùng phụ gia hoá dẻo hay tạo bọt;

10

− độn đỏ hộc;

− phõn vựng ứng lực dựng mỏc bờ tụng khỏc nhau;

− dựng cấp phối hợp lý;

− dựng cường độ bờ tụng thời kỳ cuối để thiết kế;

b) Thi cụng đập bờ tụng bằng cỏch dựng khối bờ tụng đỳc sẵn;

c) Dựng xm ớt toả nhiệt

2) Hạ thấp nhiệt độ đổ bờ tụng

Làm lạnh nước, cốt liệu khi trộn bờ tụng; Đổ bờ tụng khi nhiệt độ ngoài trời thấp

3) Tăng tốc độ toả nhiệt của bờ tụng ngay sau khi đổ.

a) Giảm chiều cao khoảnh đổ; bố trớ thứ tự khoảnh đổ sao cho cỏc khoảnh đổ trước

đú cú thời gian gión cỏch lớn để toả nhiệt

b) Tăng diện tớch bề mặt toả nhiệt

c) Hạ thấp nhiệt độ bề mặt bằng cỏch tưới nước lạnh

d) Thoỏt nhiệt nhờ hệ thống ống dẫn nước lạnh, chừa lại giếng đứng trong khối bờ tụng

d) Sự truyền nhiệt trong bờ tụng

Theo ACI 207 1R - 87 Mass Concrete, tớnh chất liờn quan với khả năng nhiệt truyền qua bờ tụng là độ phõn tỏn nhiệt của bờ tụng, được xỏc định bằng cụng thức sau đõy:

h2 = C.ρ

K

;trong đú: h2 - Độ phõn tỏn nhiệt, m2/s;

K- Độ dẫn nhiệt, J/m.s 0K;

C - Tỉ nhiệt, J/kg, 0K;

ρ- Khối lượng thể tớch của bờ tụng, kg/m3

Độ phõn tỏn nhiệt chịu ảnh hưởng nhiều bởi loại đỏ dựng trong bờ tụng như được trỡnh bầy trong bảng 1.5

Hình 6 Sơ đồ bố trí ống dẫn nuớc làm lạnh trong khối bê tông